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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere
in einem Kraftfahrzeug.
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Üblicherweise
umfasst ein Brennstoffzellensystem zumindest eine Brennstoffzelle
zum Generieren von elektrischem Strom aus Wasserstoffgas enthaltendem
Anodengas und Sauerstoffgas enthaltendem Kathodengas. Ferner kann
ein solches Brennstoffzellensystem einen Reformer zum Generieren von
Wasserstoffgas enthaltendem Anodengas aus Wasserstoff enthaltendem
Kraftstoff und Sauerstoff enthaltendem Oxidatorgas umfassen. Um
die thermische Effizienz des Brennstoffzellensystems zu verbessern,
ist es grundsätzlich möglich, eine thermisch isolierende
Isolationshülle vorzusehen, die einen Innenraum umhüllt,
in dem zumindest die Brennstoffzelle angeordnet ist. Optional kann
in diesem Innenraum auch der Reformer angeordnet sein.
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Aus
der
EP 1 624 516 A1 ist
ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem die Brennstoffzelle
in einem Einbauraum angeordnet ist, aus dem Kathodengas zur Versorgung
der Brennstoffzelle angesaugt wird. Hierdurch kann die Bildung eines explosiven
Gemisches in diesem Einbauraum bzw. in der jeweiligen Umgebung des
Brennstoffzellensystems reduziert werden. Ein derartiges explosives
Gemisch kann durch Leckagen entstehen, durch die Brenngas in die
Umgebung des Brennstoffzellensystems bzw. in den Einbauraum gelangt.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich dem Problem, für
ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art eine verbesserte
Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch
einen erhöhten Wirkungsgrad auszeichnet.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände
der unabhängige Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den von der Isolationshülle
umhüllten Innenraum in den Gaspfad zur Versorgung der Brennstoffzelle
mit Kathodengas bzw. in den Gaspfad zur Versorgung des Reformers
mit Oxidatorgas zu integrieren und so auszugestalten, dass das Kathodengas
bzw. des Oxidatorgas der Brennstoffzelle und/oder dem Reformer Wärme
entzieht, bevor es in die Brennstoffe bzw. in den Reformer eintritt.
Auf diese Weise lässt sich einerseits eine Kühlung
der Brennstoffzelle bzw. des Reformers erzielen, während
andererseits eine Vorwärmung des Kathodengases bzw. des
Oxidatorgases erreicht wird, was den Brennstoffzellenprozess bzw.
den Reformerprozess begünstigt. Diese Vorwärmung
des jeweiligen Gases ist insbesondere bei einem Wiederstart oder
Warmstart des Brennstoffzellensystems von beson derem Interesse,
um das System möglichst rasch auf Betriebstemperatur bringen
zu können. Durch den so verkürzten Warmstart lässt
sich die Effizienz des Systems erhöhen.
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Entsprechend
einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Brennstoffzellensystem
mit einem Restgasbrenner ausgestattet sein, in dem eine Verbrennung
von Wasserstoffgas enthaltendem Anodenabgas mit Sauerstoffgas enthaltendem
Kathodenabgas realisierbar ist. Der Gaspfad im Innenraum der Isolationshülle
lässt sich nun optional gezielt so führen, dass
zumindest das Kathodengas und/oder das Oxidatorgas diesem Restgasbrenner
Wärme entzieht, bevor es zur Brennstoffzelle bzw. zum Reformer
gelangt. Diese Bauweise unterstützt vor allem einen Neustart
oder Kaltstart des Brennstoffzellensystems, bei dem sämtliche
Komponenten im wesentlichen Umgebungstemperatur aufweisen. Da bei kalter
Brennstoffzelle in dieser keine Umsetzung von Anodengas und Kathodengas
erfolgt, lässt sich im Restgasbrenner umso mehr Anodengas
mit Kathodengas verbrennen, wodurch eine entsprechend große
Abwärme erzielt wird. Diese lässt sich durch die gezielte
Gasführung im Innenraum zum vorwärmen des Kathodengases
bzw. des Oxidatorgases nutzen, was die Aufheizung der Brennstoffzelle
bzw. des Reformers auf die jeweilige Betriebstemperatur verkürzt.
Auch hier führt das verkürzte Hochfahren des Brennstoffzellensystems
zu einem erhöhten Wirkungsgrad.
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Die
Wärmeübertragung vom Restgasbrenner bzw. von der
Brennstoffzelle oder vom Reformer auf das jeweilige Gas kann beispielsweise
dadurch realisiert werden, dass das Kathodengas bzw. das Oxidatorgas
die jeweilige Komponente anströmt und/oder umströmt,
wodurch die Wärmeübertragung auf das strömende
Gas begünstigt wird.
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Besonders
vorteilhaft ist nun eine Weiterbildung, bei welcher der Gaspfad
im Innenraum steuerbar ist, und zwar so, dass zumindest das Kathodengas
bzw. das Oxidatorgas während eines Kaltstartbetriebs bevorzugt
oder ausschließlich den Restgasbrenner bzw. einen dem Restgasbrenner
nachgeordneten Wärmeübertrager beaufschlagt und
während eines Warmstartbetriebs bzw. während eines
Normalbetriebs bevorzugt oder ausschließlich die Brennstoffzelle
bzw. den Reformer beaufschlagt, um Wärme aufzunehmen. Hierdurch
lässt sich im System vorhandene Wärme gezielt
zur Wirkungsgradsteigerung nutzen.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine
stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Brennstoffzellensystem,
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2 eine
Darstellung wie in 1, jedoch bei einem anderen
Betriebszustand,
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3 eine
Darstellung wie in 1, jedoch bei einer anderen
Ausführungsform.
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Entsprechend
den 1 bis 3 umfasst ein Brennstoffzellensystem 1,
das vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein kann, zumindest
eine Brennstoffzelle 2 sowie eine (erste) Oxidatorversorgungseinrichtung 3.
Die Brennstoffzelle 2 dient in üblicher Weise
zum Generieren von Strom aus einem Wasserstoffgas enthaltenden Brenngas und
einem Sauerstoffgas enthaltenden Oxidatorgas. Das Brenngas wird
dabei einer Anodenseite 4 der Brennstoffzelle 2 zugeführt,
während das Oxidatorgas, bei dem es sich zweckmäßig
um Luft handelt, einer Kathodenseite 5 der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird.
In der Brennstoffzelle 2 trennt ein Elektrolyt 6 die
Anodenseite 4 von der Kathodenseite 5. Üblicherweise
besteht die Brennstoffzelle 2 aus einem Stapel mehrerer
Brennstoffzellenelemente, in denen jeweils die Anodenseite 4 durch
einen Elektrolyten 6 von der Kathodenseite 5 getrennt
ist. Vorzugsweise handelt es sich bei der Brennstoffzelle 2 um
eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die insbesondere als Festkörper-Brennstoffzelle
bzw. als SOFC-Brennstoffzelle ausgestaltet sein kann. Ebenso ist
es grundsätzlich möglich, die Brennstoffzelle 2 als
Niedertemperatur-Brennstoffzelle auszugestalten, die insbesondere eine
PEM-Brennstoffzelle sein kann, die mit einer Protonen-Transport-Membran
bzw. mit einer Polymer-Elektrolyt-Membran als Elektrolyt 6 arbeitet.
Die vorliegende Erfindung ist von besonderer Bedeutung für
eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle 2 erhält
eingangsseitig über eine an die Anodenseite 4 angeschlossene
Anodengasleitung 7 ein durch das Brenngas gebildetes Anodengas.
Ein Wasserstoffgas enthaltendes Anodenabgas verlässt die
Brennstoffzelle 2 ausgangsseitig über eine Anodenabgasleitung 8,
die ebenfalls an die Anodenseite 4 angeschlossen ist. Desweiteren
erhält die Brennstoffzelle 2 eingangsseitig über
eine an die Kathodenseite 5 angeschlossene Kathodengasleitung 9 ein
durch das Oxidatorgas gebildetes Kathodengas. Ein Sauerstoffgas
enthaltenden Kathodenabgas verlässt die Brennstoffzelle 2 ausgangsseitig über
eine Kathodenabgasleitung 10, die hierzu an die Kathodenseite 5 angeschlossen
ist.
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Die
erste Oxidatorversorgungseinrichtung 3 ist zum Zuführen
von Oxidatorgas, also insbesondere von Luft, zur Brennstoffzelle 2 ausgestaltet.
Hierzu weist die erste Oxidatorversorgungseinrichtung 3 eine
(erste) Versorgungsleitung 11 auf, in der eine geeignete
(erste) Fördereinrichtung 12, z. B. eine Pumpe
oder Gebläse, zum Antreiben des Oxidatorgases ange ordnet
ist. Die erste Versorgungsleitung 11 bildet hier die Kathodengasleitung 9 und
führt somit der Brennstoffzelle 2 das Kathodengas
unmittelbar zu.
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Vorzugsweise
ist das Brennstoffzellensystem 1 außerdem mit
einem Reformer 16 ausgestattet, der zum Erzeugen des Brenngases
aus einem Kraftstoff und einem Oxidatorgas, vorzugsweise Luft, dient.
Hierzu ist der Reformer 16 eingangsseitig an eine Kraftstoffleitung 17 und
an eine Oxidatorleitung 18 angeschlossen. In der Kraftstoffleitung 17 ist
eine Fördereinrichtung 19 zum Antreiben des Kraftstoffs angeordnet,
z. B. eine Pumpe. Beim Kraftstoff handelt es sich um einen atomaren
Wasserstoff enthaltenden Kraftstoff, vorzugsweise um einen Kohlenwasserstoff.
Zweckmäßig kann dabei derjenige Kraftstoff verwendet
werden, der in einem mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestatteten
Kraftfahrzeug ohnehin zum Betreiben einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs
vorhanden ist, also insbesondere Benzin, Diesel, Biodiesel, Erdgas.
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Die
Oxidatorleitung 18 führt dem Reformer 16 das
Oxidatorgas zu. Zur Versorgung des Reformers 16 mit Oxidatorgas
ist im gezeigten Beispiel eine (zweite) Oxidatorversorgungseinrichtung 13 vorgesehen,
die in einer (zweiten) Versorgungsleitung 14 eine (zweite)
Fördereinrichtung, z. B. eine Pumpe oder ein Gebläse,
enthält. Im Beispiel ist die zweite Versorgungsleitung 14 aufgezweigt,
nämlich in einen ersten Versorgungsleitungszweig 40 und
einen zweiten Versorgungsleitungszweig 41. Der erste Versorgungsleitungszweig 40 bildet
hier die Oxidatorleitung 18 zur Versorgung des Reformers 16 mit Oxidatorgas.
Zur gezielten Aufteilung des mit der Fördereinrichtung 15 geförderten
Oxidatorgases von der gemeinsamen zweiten Versorgungsleitung 14 auf
die einzelnen Versorgungsleitungszweige 40, 41 kann eine
Ventileinrichtung 42 vorgesehen sein, die über eine
entsprechende Steuerung 43 gezielt so betätigbar
ist, dass die jeweils erforderliche Oxidatorgasmenge durch den jeweiligen
Versorgungsleitungszweig 40, 41 förderbar
ist. Die Steuerung 43 ist über entsprechende Steuerleitungen 44 mit
den steuerbaren Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 auf geeignete
Weise verbunden.
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Das
Brennstoffzellensystem 1 kann außerdem einen Restgasbrenner 20 aufweisen,
der zum Verbrennen von Anodenabgas mit Kathodenabgas ausgestaltet
ist. Hierzu ist der Restgasbrenner 20 eingangsseitig an
die Anodenabgasleitung 8 und an die Kathodenabgasleitung 10 angeschlossen.
Bevorzugt ist der Restgasbrenner 20 mit einem Brennraum 21 ausgestattet,
in dem eine Verbrennungsreaktion mit offener Flamme abläuft.
Grundsätzlich ist jedoch auch ein Restgasbrenner 20 denkbar,
der einen Oxidationskatalysator aufweist und mit katalytischer Verbrennung
arbeitet. Ausgangsseitig ist an den Restgasbrenner 20 eine
Abgasleitung 22 angeschlossen, über die ein durch
die Verbrennungsreaktion gebildetes Brennerabgas vom Restgasbrenner 20 abgeführt wird.
Optional kann an den Restgasbrenner 20 eine Kühlgasleitung 23 angeschlossen
sein, und zwar insbesondere kathodenseitig. über die Kühlgasleitung 23 ist
bei Bedarf ein Kühlgas, vorzugsweise Luft, dem Restgasbrenner 20 zuführbar.
Im gezeigten Beispiel ist die Kühlgasleitung 23 durch
den zweiten Versorgungsleitungszweig 41 gebildet.
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Bei
den hier gezeigten bevorzugten Ausführungsformen versorgt
die erste Oxidatorversorgungseinrichtung 3 nur die Brennstoffzelle 2 mit
Oxidatorgas bzw. Kathodengas, während die zweite Oxidatorversorgungseinrichtung 13 den
Reformer 16 und den Restgasbrenner 20 mit Oxidatorgas
bzw. mit Kühlgas versorgt. Es ist klar, dass bei anderen
Ausführungsformen grundsätzlich auch eine gemeinsame
Oxidatorversorgungseinrichtung zur Versorgung der Brennstoffzelle 2,
des Reformers 16 und des Restgasbrenners 20 mit
Oxidatorgas vorgesehen sein kann, beispielsweise kann hierzu die
Kathodengasleitung 9 durch einen dritten Versorgungsleitungszweig
gebildet sein, der ebenfalls über die Ventileinrichtung 42 ansteuerbar
ist.
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Das
Brennstoffzellensystem 1 kann desweiteren zumindest einen
Wärmeübertrager aufweisen. In den gezeigten Beispielen
sind jeweils drei Wärmeübertrager vorgesehen,
nämlich ein Hauptwärmeübertrager 24,
ein Zusatzwärmeübertrager 25 und ein Rezirkulationswärmeübertrager 26.
Der Hauptwärmeübertrager 24 ist einerseits
in die Abgasleitung 22 und andererseits in die Kathodengasleitung 9 eingebunden.
Der Hauptwärmeübertrager 24 dient zur Übertragung
von Wärme vom Brennerabgas auf das Kathodengas. Der Zusatzwärmeübertrager 25 ist
einerseits in die Abgasleitung 22 und andererseits in eine
Leitung 27 eingebunden, die zu einem grundsätzlich
beliebigen Wärmeverbraucher führen kann. Insbesondere
kann der Zu satzwärmeübertrager 25 über
die Leitung 27 in einen Kühlkreis einer Brennkraftmaschine
des mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestatteten Fahrzeugs
oder in einem Heizkreis zum Aufwärmen eines Fahrzeuginnenraums
des mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestatteten Fahrzeugs
eingebunden sein. Der Zusatzwärmeübertrager 25 ist
in der Abgasleitung 22 stromab des Hauptwärmeübertragers 24 angeordnet
und kann dem Brennerabgas zusätzliche Wärme entziehen.
Der Rezirkulationswärmeübertrager 26 ist
einerseits in die Oxidatorgasleitung 18 bzw. in den ersten
Versorgungsleitungszweig 40 und andererseits in eine Rezirkulationsleitung 28 eingebunden.
Alternativ kann der Rezirkulationswärmeübertrager 26 auch
die Rezirkulationsleitung 28 mit der Kathodengasleitung 9, insbesondere
stromauf des Hauptwärmeübertragers 24,
wärmeübertragend koppeln. Die Rezirkulationsleitung 28 zweigt
bei 29 von der Anodenabgasleitung 8 ab und ist
an die Eingangsseite des Reformers 16 angeschlossen. Sie
enthält stromab des Rezirkulationswärmeübertragers 26 eine
Fördereinrichtung 30 zum Antreiben des rezirkulierten
Anodenabgases, bei der es sich beispielsweise um eine Pumpe, ein Gebläse
oder einen Kompressor handeln kann. Das Anodenabgas kann je nach
Betriebszustand der Brennstoffzelle 2 einen relativ hohen
Anteil an Wasserstoffgas enthalten und kann somit durch die Rückführung
in den Reformer 16 zur Steigerung des Wirkungsgrads genutzt
werden.
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Brennstoffzelle 2,
Restgasbrenner 20, Hauptwärmeübertrager 24,
Zusatzwärmeübertrager 25 und Rezirkulationswärmeübertrager 26 bilden
in den gezeigten Beispielen jeweils separate Komponenten. Grundsätzlich
ist es jedoch möglich, zumindest zwei dieser Komponenten
baulich zu einer Einheit zu integrieren. Beispielsweise kann der
Restgasbrenner 20 in eine Ausgangsseite der Brennstoffzelle 2 integriert
werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Hauptwärmeübertrager 24 in
die Ausgangsseite des Restgasbrenners 20 integriert werden.
Ebenso ist es möglich, zwei oder drei dieser Wärmeübertrager 24, 25, 26 zu
einer baulichen Einheit zu integrieren.
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Das
Brennstoffzellensystem 1 ist außerdem mit einer
thermisch isolierenden Isolationshülle 31 ausgestattet,
die vorzugsweise ein thermisch isolierendes Material aufweist. Beispielsweise
kann es sich um eine Blechbox handeln, die innen und/oder außen
mit dem Isolationsmaterial versehen ist. Das von der Isolationshülle 31 umschlossene
bzw. umhüllte Volumen bildet einen Innenraum 32,
der hier für Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 als Einbauraum
genutzt wird. Dementsprechend sind im Innenraum 32 zumindest
die Brennstoffzelle 2 und optional zumindest eine der Komponenten
Reformer 16, Restgasbrenner 20, Hauptwärmeübertrager 24, Rezirkulationswärmeübertrager 26,
Fördereinrichtung 30 angeordnet. Ohne Beschränkung
der Allgemeinheit sind in den gezeigten Beispielen der Reformer 16,
die Brennstoffzelle 2, der Restgasbrenner 20 und
der Hauptwärmeübertrager 24 innerhalb
der Isolationshülle 31, also im Innenraum 32 angeordnet. Denkbar
ist auch eine Ausführungsform, bei der die Isolationshülle 31 aus
mehreren Teilhüllen besteht. Der Innenraum 32 besteht
dann entsprechend aus mehreren Teil-Innenräumen, die insbesondere
miteinander kommunizieren. Beispielsweise kann eine solche Teilhülle
zumindest den Reformer 16 umschließen, während
eine andere Teilhülle zumindest die Brennstoffzelle 2 und
den Restgasbrenner 20 umschließt. In den gezeigten
Beispielen sind der Zusatzwärmeübertrager 25 und
der Rezirkulationswärmeübertrager 26 sowie
die Fördereinrichtungen 12, 15, 19, 30 außerhalb
der Isolationshülle 31 angeordnet; ebenso befindet
sich zweckmäßig die Steuerung 43 ebenfalls
außerhalb der Isolationshülle 31.
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Die
Isolationshülle 31 enthält mehrere Durchgangsöffnungen 33,
durch welche die Kraftstoffleitung 17, die Abgasleitung 22,
die Rezirkulationsleitung 28, die Kühlgasleitung 23 und
die Kathodengasleitung 9 durch die Isolationshülle 31 hindurchgeführt
sind. Diese Durchführung der genannten Leitungen erfolgen
dabei zweckmäßig so, dass die gewünschte
thermische Isolierung gewährleistet ist. Außerdem
kann in den Durchführungen eine gewünschte Gasdichtigkeit
und – falls erforderlich – eine gewünschte
Druckdichtigkeit erreicht werden. Insbesondere ist im Bereich der
mit den entsprechenden Anschlüssen versehenen Eingangsseite
des Reformers 16 die zugehörige Durchgangsöffnung 33 so gestaltet,
dass zumindest die Kraftstoffleitung 17 direkt an den Reformer 16 anschließbar
ist, ohne dass sich die Kraftstoffleitung 17 dabei innerhalb
des Innenraums 32 erstreckt. Vorzugsweise bildet ein Abschnitt
der Reformereingangsseite einen Teil der Isolationshülle 31.
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Bei
den gezeigten Beispielen verlaufen bzw. liegen Teile des Brennstoffzellensystems 1 außerhalb der
Isolationshülle 31, wie z. B. Abschnitte der Versorgungsleitungen 11, 14 sowie
der Rezirkulationsleitung 28 und der Rezirkulationswärmeübertrager 26.
Denkbar ist auch eine Ausführungsform, bei welcher die
genannten Teile vollständig oder wenigstens weitgehend
innerhalb der Isolationshülle 31 angeordnet sind.
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Bei
der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform
weist die Isolationshülle 31 außerdem
zwei Einlassöffnungen, nämlich eine erste Einlassöffnung 34 und
eine zweite Einlassöffnung 35 auf, durch die Oxidatorgas,
also vorzugsweise Luft aus einer Umgebung 36 des Brennstoffzellensystems 1 in
den Innenraum 32 der Isolationshülle 31 gelangt.
Bei dieser Ausführungsform sind die beiden Einlassöffnungen 34, 35 jeweils
mittels eines Ventils 37 bzw. 38 schaltbar. Die
Ventile 37, 38 sind hierzu auf geeignete Weise
mit der Steuerung 43 verbunden. Im Unterschied zu der in
den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform,
die sich zumindest durch zwei beabstandete bzw. durch zwei separat schaltbare
Einlassöffnungen 34, 35 auszeichnet, zeigt 3 eine
andere Ausführungsform, bei welcher die Isolationshülle 31 zumindest
eine Einlassöffnung 46 aufweist, der ein Rückschlagsperrventil 47 zugeordnet
sein kann, das in Richtung zum Innenraum 32 hin öffnet.
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Ferner
besitzt die Isolationshülle 31 zumindest eine
Auslassöffnung 39, an welche z. B. die zweite
Versorgungsleitung 14 angeschlossen ist. Dementsprechend
kann die zweite Oxidatorversorgungseinrichtung 13 das Oxidatorgas
durch die Auslassöffnung 39 aus dem Innenraum 32 ansaugen. Hierdurch
wird eine gewisse Spülung des Innenraums 32 gewährleistet,
die verhindert, dass innerhalb des Innenraums 32 eine kritische
Konzentration an Brenngas entstehen kann, das aufgrund von Leckagen
in den Innenraum 32 gelangen kann. Bevorzugt kann auch
der Auslassöffnung 39 ein Rückschlagsperrventil 45 zugeordnet
sein, das zum Innenraum 32 hin sperrt und das z. B. in
der zweiten Versorgungsleitung 14 angeordnet sein kann.
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Durch
das Anschließen der zweiten Versorgungsleitung 14 an
die Auslassöffnung 39 und durch die an der Isolationshülle 31 vorgesehenen
Einlassöffnungen 34, 35 bzw. 46 bildet
der Innenraum 32 einen Bestandteil eines Gaspfads, über
den der Reformer 16 mit Oxidatorgas versorgt wird. Dies
kann grundsätzlich zum Vorwärmen des Oxidatorgases genutzt
werden. Hierzu ist bei den Brennstoffzellensystemen 1 der
hier gezeigten Ausführungsformen der Gaspfad im Innenraum 32 gezielt
so geführt, dass das Oxidatorgas je nach Betriebszustand
des Brennstoffzellensystems 1 einerseits dem Restgasbrenner 20 und/oder
dem Hauptwärmeübertrager 24 und andererseits
der Brennstoffzelle 2 und/oder dem Reformer 16 Wärme
entziehen kann, wenn es den Innenraum 32 durchströmt.
Hierdurch kann das Temperaturniveau des Oxidatorgases erhöht
werden, was den Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 begünstigt.
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Beispielsweise
zeigt 1 einen Kaltstartbetriebszustand des Brennstoffzellensystems 1. Beim
Kaltstart sind die einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 ausgekühlt
und weisen im wesentlichen die gleiche Temperatur, nämlich vorzugsweise
Umgebungstemperatur auf. Während des Kaltstartbetriebs
betätigt die Steuerung 43 die den Einlassöffnungen 34, 35 zugeordneten
Ventile 37, 38 so, dass die erste Einlassöffnung 34 geöffnet
ist, während die zweite Einlassöffnungen 35 gesperrt
ist. Das Oxidatorgas wird somit ausschließlich über
die erste Einlassöffnung 34 in den Innenraum 32 eingesaugt.
Im Innenraum 32 sind nun Strömungsleitelemente 48 angeordnet,
die den Gaspfad im Innenraum 32 so führen, dass
der Restgasbrenner 22 und hier auch der Hauptwärmeübertrager 24 vom
angesaugten Oxidatorgas angeströmt bzw. umströmt
werden, bevor es über die Auslassöffnung 39 den
Innenraum 32 wieder verlässt. Eine entsprechende
Strömungssituation ist in 1 durch
nicht näher bezeichnete Pfeile angedeutet. Während
des Kaltstartbetriebs heizt sich der Restgasbrenner 20 deutlich schneller
auf als die Brennstoffzelle 2 und der Reformer 16.
Dementsprechend kann durch die Beaufschlagung des Restgasbrenners 20 mit
Oxidatorgas dem Restgasbrenner 20 Wärme entzogen
werden, die zur Vorwärmung des Oxidatorgases genutzt werden
kann. Da sich der Hauptwärmeübertrager 24 unmittelbar
an den Restgasbrenner 20 anschließt, wird auch
der Hauptwärmeübertrager 24 vergleichsweise rasch
aufgeheizt, so dass auch die Umströmung des Hauptwärmeübertragers 24 zur
Temperaturerhöhung des Oxidatorgases genutzt werden kann.
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2 zeigt
nun einen Normalbetriebszustand bzw. einen Warmstartbetriebszustand
des Brennstoffzellensystems 1. Beim Warmstart sind diejenigen
Komponenten des Brennstoffzellensystems 1, die eine vergleichsweise
hohe Wärmekapazität auf weisen, noch vergleichsweise
heiß. Dies sind vor allem die Brennstoffzelle 2 und
auch der Reformer 16. Im Unterschied dazu kann der Restgasbrenner 20 vergleichsweise
rasch auskühlen, ebenso wie der Hauptwärmeübertrager 24.
Für diesen Warmstartbetrieb betätigt die Steuerung 23 die
Ventile 37, 38 so, dass die erste Einlassöffnung 34 gesperrt
ist, während die zweite Einlassöffnung 35 geöffnet
ist. Diese Schaltstellung kann auch für den Normalbetriebszustand
des Brennstoffzellensystems 1 realisiert werden. Bei dieser
Schaltstellung wird das Oxidatorgas somit ausschließlich
durch die zweite Einlassöffnung 35 angesaugt,
wodurch sich, insbesondere in Verbindung mit den Strömungsleitelementen 48 eine
gezielte Anströmung und Umströmung der Brennstoffzelle 2 sowie
hier auch des Reformers 16 ausbilden kann. Dementsprechend
kann das Oxidatorgas Wärme vom Reformer 16 und
von der Brennstoffzelle 2 aufnehmen, was das Temperaturniveau
des Oxidatorgases erhöht. Für den Warmstartbetrieb
kann dadurch die Zeit bis zum Erreichen der Betriebstemperatur der
Brennstoffzelle 2 verkürzt werden. Während
des Normalbetriebs kann durch diese Strömungsführung die
Brennstoffzelle 2 gekühlt werden, ebenso wie der Reformer 16.
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Im
Unterschied zur Ausführungsform der 1 und 2 zeigt 3 eine
Ausführungsform, bei welcher der Ort für den Einlass
des Oxidatorgases bzw. die Führung des Oxidatorgases innerhalb der
Isolationshülle 31 nicht steuerbar ist. Dafür
ist bei der in 3 gezeigten Ausführungsform
der Gaspfad im Innenraum 31 gezielt so gestaltet, dass
das über die wenigstens eine Einlassöffnung 46 einströmende
Oxidatorgas so wohl mit der Brennstoffzelle 2 als auch mit
dem Restgasbrenner 20 wärmeübertragend
gekoppelt ist. Optional kann auch vorgesehen sein, dass das einströmende
Oxidatorgas zusätzlich mit dem Reformer 16 und/oder
mit dem Hauptwärmeübertrager 24 wärmeübertragend
gekoppelt ist. Eine derartige Anströmung bzw. Umströmung
der genannten Komponenten kann ebenfalls mittels Strömungsleitelementen 48 realisiert
werden. Diese Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus,
dass während des Kaltstartbetriebs die An- bzw. Umströmung
des Restgasbrenners 20 sowie gegebenenfalls des Hauptwärmeübertragers 24 das
Temperaturniveau des Oxidatorgases signifikant erhöhen
kann. Im Unterschied dazu kann während des Warmstartbetriebs bzw.
während des Normalbetriebs durch die An- bzw. Umströmung
der Brennstoffzelle 2 und gegebenenfalls des Reformers 16 ebenfalls
eine Temperaturerhöhung im Oxidatorgas bzw. eine Kühlung
für den Reformer 16 bzw. die Brennstoffzelle 2 erreicht
werden. Die in 3 gezeigte Ausführungsform
arbeitet weniger effizient als die in den 1 und 2 gezeigte
Ausführungsform, ist jedoch mit einem reduzierten Aufwand
realisierbar.
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Insbesondere
kann wie bei den hier gezeigten Ausführungsformen die erste
Oxidatorversorgungseinrichtung 3 das Oxidatorgas bzw. das
Kathodengas aus der Umgebung 36 direkt ansaugen. Ebenso
ist eine Ausführungsform möglich, bei welcher
auch die erste Oxidatorversorgungseinrichtung 3 das Kathodengas
aus dem Innenraum 32 der Isolationshülle 31 ansaugt.
Beispielsweise ist dann auch die erste Versorgungsleitung 11 eingangsseitig
an die Auslassöffnung 39 angeschlossen. Eben so
ist grundsätzlich eine Ausführungsform denkbar,
bei der ausschließlich die erste Versorgungsleitung 11 an
die Auslassöffnung 39 angeschlossen ist und bei
der die zweite Oxidatorversorgungseinrichtung 13 das Oxidatorgas
aus der Umgebung 36 direkt ansaugt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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